西合鐵路增建二線膨脹土特性及路基設計

周建明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

西合鐵路增建二線膨脹土特性及路基設計

周建明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

鐵路路基常見的因膨脹土引起的病害有基床翻漿、基床下沉、側溝外擠、邊坡溜坍等。在詳細分析西合鐵路膨脹土工程地質特征的基礎上，結合工程實踐經驗，提出了膨脹土的路基處理對策，即:路基填筑前對路基填料進行改良,針對膨脹土路基基床采用換填或以CMA改性劑進行處理，針對膨脹土邊坡采取工程防護與綠色防護相結合的措施,可供類似工程參考。

鐵路；膨脹土；工程地質特征；路基設計

膨脹土是指土中黏粒成分主要由伊利石、蒙脫石等親水礦物組成，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水收縮、開裂，并能產生往復脹縮變形的黏性土[1]。膨脹土在中國的分布較廣，主要分布于華東、華南、西南及東北地區，總面積超過10萬km2[2]。西安—合肥鐵路西起西安，東至合肥，線路全長957 km，是橫貫中國中東部地區的客貨共線的鐵路重要干線。沿線經過陜西、河南、湖北、安徽四省，跨越多個地貌單元，地質類型豐富，其中河南省南陽—安棚段、河南省信陽—安徽省合肥段連續有膨脹土分布。詳細查明沿線膨脹土的分布、成因及物理力學性質進行分類，并結合既有Ⅰ線膨脹土路基的狀況，為確定合理的路基處理對策提供依據，對確保本線路基建設質量具有重要意義。

1 沿線膨脹土的分布特征

1.1 南陽—安棚段膨脹土

南陽—安棚段屬南陽盆地，地形較平坦，膨脹土一般分布于屬長江水系支流漢水流域二三級階地區，為第四系中、上更新統沖積成因土，多為高液限黏土，硬塑—半干硬，黃褐色，并夾有灰白、灰綠夾層。厚約10～30 m，下伏第三系泥質砂巖、泥巖。南陽盆地的膨脹土中普遍夾有大量的鈣質砂礓石，表1為南陽—安棚段膨脹土的膨脹潛勢統計。

從統計可見，南陽—安棚段膨脹土的孔隙比均值為0.7，平均液限為43.3%，極值區間為34.3%～57.2%，屬高液限土，自由膨脹率均值為58.9，極值區間為40～90.0，蒙脫石含量均值為16.5%，極值區間為10.9%～33.5%，陽離子交換量均值為277.5 mmol/kg，極值區間為204.1～450.7 mmol/kg，其自由膨脹率及蒙脫石含量均接近中等膨脹土標準，陽離子交換量屬中等膨脹土標準。綜合判斷，可將該段膨脹土劃分為中等膨脹性土。

表1 南陽—安棚段膨脹土膨脹潛勢統計表

1.2 信陽—合肥段膨脹土

信陽至合肥段膨脹土主要分布于山前沖積平原、淮河高階地，膨脹土屬于上、中更新統沖積、洪積、坡積、殘積(Q3、Q4)黏土、粉質黏土，硬塑狀。該段土質一般較均一，偶夾鐵錳結構及少量礓石。灰白、灰綠色夾層較南陽段相比明顯要少，表2為信陽—合肥段膨脹土膨脹潛勢統計表。

由表2可知，信陽—合肥段膨脹土的孔隙比均值為0.8，平均液限為40.9%，極值區間為33.3%～68.7%，自由膨脹率均值為50.7，極值區間為38.0～87.0，蒙脫石含量均值為14.8%，極值區間為8.2%～29.3%，陽離子交換量均值為236.4.1 mmol/kg，極值區間為158.1～411.9 mmol/kg。屬弱膨脹性土。

表2 信陽—合肥段膨脹土膨脹潛勢統計表

通過對比分析，南陽—安棚段為中等膨脹土，信陽—合肥段為弱膨脹土，其天然含水量、天然密度、天然孔隙比等物性指標非常接近，無明顯差異。但由于成因及沉積環境不同，兩段土質在膨脹性潛勢方面還是有一定的差異，南陽盆地的膨脹土膨脹潛勢要強于信陽—合肥段膨脹土，且液限更高。在膨脹土路基設計中應根據其特點采用相應的對策。

2 既有線膨脹土路基狀況

既有西合鐵路自2004年開通運營以來，已成為一條繁忙的運輸干線，運營過程中陸續出現了一些路基病害，其中由于膨脹土的影響而引起的路基病害主要體現在以下幾個方面：①基床翻漿冒泥。全線基床翻漿冒泥現象較普遍，其中路堤地段分布較路塹地段較常見。②路基下沉。其現象在全線路堤地段分布較普遍。據工務部門資料，僅南陽—信陽段就有約45 km的路基存在不同程度的下沉現象。③側溝外擠。據最近的調查顯示，全線膨脹土路塹段側溝普遍有不同程度的外擠現象。④邊坡坍滑。特別是雨季，邊坡溜坍現象時有發生，工務部門組織過多次緊急搶修。分析其原因：主要是既有線填筑時直接采用了膨脹土填料，填料的性能較差，難以達到壓實標準，長期干濕交替產生脹縮。還有就是邊坡處理措施稍輕，邊坡遇水易發生坍滑。

3 西合二線膨脹土路基的處理措施

膨脹土的膨脹特性決定其工程性質較差，試驗資料顯示：原狀膨脹土與重塑(擊實)膨脹土的膨脹性是有區別的，未經改良的膨脹土經擊實后其膨脹力、無荷膨脹量、脹縮總率顯著增長，濕化性更差。因此作為路基填料時，一般都要求進行改良處理;作為路基基床時，基床須進行工程處理。

3.1 路基填料改良

天然膨脹土一般為D組填料，根據現行鐵路規范，也借鑒既有線的經驗教訓，膨脹土不能直接用作Ⅰ級路基的路基填料，用作填料時須進行改良處理。借鑒以往的工程經驗[3]，當用于鐵路路基填筑時，一般采用摻生石灰的方法來進行改良。其機理在于：摻入石灰后增加了膨脹土中鈣鎂離子的含量，石灰遇水后的消解反應和陽離子的交換作用，使膨脹土中的鈉、鉀離子逐步被鈣鎂離子所替換，土體的膨脹潛勢隨之減小，從而減低了土的脹縮性[4]。為獲取本線膨脹土改良最佳摻入比，改良后膨脹性指標變化及改良土強度等關鍵技術參數，西合二線路基工程填筑前選取了6個代表性取土點進行膨脹土改良試驗，分別進行了摻灰比為4%～8%的改良土改良前后的對比試驗，對比分析膨脹土改良前后膨脹性指標、擊實參數指標及無側限抗壓強度指標的變化情況，試驗結果顯示摻灰比為6%時改良土最具經濟合理性。其改性前后各指標對比見表3 。

由表3 可知，摻入6%的生石灰對膨脹土進行改良后，土的工程性質明顯改善，土的自由膨脹率下降至22%～27%之間，液限下降至35%～40%，無側限抗壓強度達0.59～1.61 MPa，夯后快剪指標也有明顯提高，改良后土的水穩性顯著增強。綜合分析表明，經摻入6%石灰改良后的膨脹土可滿足作為路基基床底層及以下填料的要求。

3.2 基床處理

因動荷載循環作用和干濕循環作用，膨脹土路塹基床易產生病害，極易形成翻漿冒泥，可能導致上部軌道結構變形、開裂。對膨脹土路基基床處理一般采用換填或以CMA改性劑進行處理，經CMA膨脹土生態改性劑改性后的土體基本上消除了脹縮特性，土體的強度大幅度提高[5]，但其工藝較為復雜，質量控制難度較大，且造價較高，目前工程應用較少。本項目路基基床采用了換填的方法，將路基基床表層換填0.5 m的A組填料、路堤基床底層采用摻灰6%的石灰改良土，路塹基床底層換填0.5 m摻灰6%的石灰改良土。基床表層以下設一層10 cm的中粗砂，中粗砂下部0.2 cm處夾鋪一層兩布一膜，既可很好地排出基床表層的積水，又能防止表層的水滲入基床底層，對基床有很好的防護作用(見圖1)。

表3 膨脹土改良前后性質對照表

圖1 膨脹土路基斷面圖Fig.1 Sectional drawing of expansive soil subgrade

3.3 邊坡防護

(1) 膨脹土邊坡的工程特性及總的防護原則。膨脹土地基上的建筑物設計應遵循預防為主、綜合治理的原則[6]。水是導致膨脹土邊坡坍滑的根本原因，主要體現在三個方面:一是膨脹土在遇水飽和后強度降低;二是膨脹變形使得土粒間的結合力明顯減小;三是裂隙的發育使得水更容易滲入，強度值降低60%～70%左右[7]。在膨脹土的邊坡設計中，保證天然狀態下邊坡穩定并加強防排水措施是主要對策，本線邊設計總的原則是：固坡腳、緩邊坡、寬平臺,加強防排水措施,工程防護與綠色防護相結合。

(2) 防排水措施。邊坡開挖前做好防排水措施。排水工程包括地表排水與地下排水兩部分，地表排水以防滲和攔截工程坡面以外地表水,及時旁引為原則；地下排水以盡快匯集、及時疏導引出為原則。地表排水系統由排水溝、側溝、截水溝及天溝組成。地下排水設施包括支撐滲溝、邊坡斜溝、滲水井、滲水暗溝等，地表排水與地下排水系統應有機結合，組成一套完備的排水系統。

(3) 邊坡防護措施。膨脹土邊坡滑動具有多發性、反復性、長期潛在性[8]，滑動面一般在大氣急劇影響深度內，沿線大氣急劇影響深度一般僅2 m左右。適當加強膨脹土邊坡的防護措施，對確保邊坡的長期穩定具有重要意義。

本線路塹邊坡坡高>3 m時，設置拱型截水骨架護坡，<3 m地段邊坡面設截排水槽防護，骨架護坡厚度為0.8 m。南陽地區由于膨脹土的膨脹潛勢更強，邊坡高度超過6 m時，骨架護坡采用C25混凝土，其余地段采用M7.5漿砌片石骨架護坡。膨脹土邊坡坡率的選擇按一級邊坡1∶1.75，二級邊坡1∶2,三級及以上按1∶2.5,各級邊坡之間設平臺，平臺寬≥4 m。骨架內采用混凝土空心磚鋪面，磚內再培土撒草籽，實現坡面防護與坡面綠化的完美統一。對于邊坡高度較高的邊坡，坡腳加設矮擋墻，一般當路塹邊坡高>6 m時，坡腳增設矮擋墻，墻高3～4 m；坡高>8 m時，根據實際情況，在邊坡下部增設一排預加固鋼筋混凝土抗滑樁，對膨脹土邊坡的穩定有很好的效果(見圖2、圖3)。

圖2 膨脹土路塹骨架護坡斷面設計圖(坡腳設矮擋墻)Fig.2 Design drawing of slope protection of cutting skeleton about expansive soil

圖3 膨脹土路塹骨架護坡斷面設計圖(坡腳設預加固樁)Fig.3 Design drawing of slope protection of cutting skeleton about expansive soil

4 結論及建議

(1) 膨脹土具有特殊物理力學及化學性質。由于其遇水膨脹、失水收縮的特性，遇水后其強度指標衰減較快，工程建設中應需慎重對待并作特殊處理。

(2) 西合二線南陽—合肥段多為膨脹土分布地區，膨脹土一般分布于河流二、三級階地、崗地、山前平原區，膨脹土的厚度變化較大，其中南陽—安棚段膨脹土為中等膨脹土，信陽—合肥段膨脹土屬弱膨脹土。

(3) 鐵路建設時，路基的處理措施主要是：基床換填,對膨脹土進行改良,加強邊坡防排水措施,邊坡按緩邊坡、寬平臺原則開挖放坡，加強邊坡坡面防護，坡面工程措施與綠色防護相結合。

(4) 鐵路運營期間，應加強膨脹土邊坡工程的巡視，特別是防排水設施的維修和養護。對于大型的重要邊坡，建議設立位移觀測點，進行長期監測。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵路特殊路基設計規范:TB10035—2006[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 羅文柯,楊果林.我國部分省(區)膨脹土分布與工程特性對比研究[J].山西建筑，2005,31(23):68-69.

[3] 連繼峰,楊有海.鐵路路基膨脹土填料改良試驗研究[J].鐵道標準設計,2011(11):20-23.

[4] 戴紹斌,黃俊,夏林,等.鄂北膨脹土的礦物組成和化學成分分析[J].巖土力學，2005,26(1):296-299.

[5] 周國新.膨脹土鐵路路堤工程病害與防治措施[J].鐵道建筑技術,2006(1):48-50.

[6] 中華人民共和國住房與城鄉建設部.膨脹土地區建筑技術規范:GB50112—2013[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

[7] 盧肇鈞.膨脹力在非飽和土強度理論中的作用[C]//陳善溫.盧肇鈞院士科技論文選集.北京：中國建筑工業出版社，1997:183-194.

[8] 包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定問題[J].巖工工程學報，2004，26(1)：1-15

(責任編輯：陳姣霞)

Expansive Soils Characteristics and Subgrade Design of Xihe Railway

ZHOU Jianming

(ChinaRailwaySiyuanEngineeringGroupCo.Ltd.,Wuhan,Hubei430074)

The common subgrade disease are those such as mud pumping of road bed,subgrade subsidence，side ditch tilted, slope sliding collapse, etc.Based on the detailed analysis of engineering geological characteristic of expansive soil about Xihe railway,combined with engineering practice experience,the paper puts forward the countermeasures of expansive soil subgrade treatment, it can be the reference for the similar engineering.

railway; expansive soil; engineering geological characteristics; subgrade design

2015-08-26;改回日期:2015-11-18

周建明(1969-),男,高級工程師,水文地質與工程地質專業,從事鐵路工程勘察與設計工作。E-mail:491195371@qq.com

U213.1

A

1671-1211(2016)02-0222-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.019

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160302.1504.002.html 數字出版日期:2016-03-02 15:04